專利名稱：一種合成孔徑用寬帶換能器的制作方法
技術領域：
本發明屬于水下探測和成像技術領域，具體地說，本發明涉及一 種寬帶換能器。
背景技術：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar，簡稱SAS)技術 是在合成孔徑雷達技術的基礎上發展起來的，由于能夠在小孔徑陣上 提高分辨率獲取高質量的探測和圖像， 一直以來成為國內外競相研究 的重點。目前已廣泛用于掩埋目標探測、水下失落物搜尋以及海底地 貌測繪等各方面，其工作的原理主要是利用裝有聲基陣的載體在直線 勻速運動中的信號作相干合成，從而得到比實際物理聲陣大幾倍的虛 擬陣來獲得高分辨率和高增益。采用這種技術時，需要陣元在橫向(即 垂直運動方向)上具有足夠的寬帶響應以保證可以采用脈沖壓縮技術 來提高橫向的分辨率，因而寬帶收發換能器的制作也就成為合成孔徑 聲納系統的一個關鍵技術所在。
寬帶換能器結構形式的選取與工作頻率密切相關。當工作頻率高 于lOOKHz時，縱陣結構的換能器由于尺寸過小而難以實現，采用較 多的是厚度振動的單片型收發換能器。由于常規厚度振動的單片型換 能器的靈敏元件工作時的頻率與厚度是成反比的(靈敏元件的厚度頻率與厚度的乘積是個常數，通常稱之為厚度頻率常數，壓電陶瓷的厚
度頻率常數大致在1900Hz !!])，因此，頻率越低，需要靈敏元件的
厚度尺寸就會越大。常規靈敏元件采用的是壓電陶瓷，它在制作過程 需要進行直流高壓的極化處理，就是在厚度方向加上一定時間的高直 流電壓。極化處理的直流電壓大小與壓電陶瓷元件的尺寸是成正比 的。壓電陶瓷元件的厚度越大，需要施加的直流電壓越高，相應的電
壓設備會變得更復雜和要求更苛刻；另外一方面，壓電陶瓷元件本身 的耐壓能力隨厚度的增加是下降的，因此，極化電壓越高越容易被擊 穿，導致成品率會特別低，甚至于完全無法制作出來。正是由于使用 頻率和元件尺寸及制作上的原因，制作100KHz—200KHz的厚度振動 的單片型換能器是很困難的。比如，150KHz諧振頻率的厚度振動的 單片式換能器，采用常規靈敏元件壓電陶瓷的厚度尺寸至少需要15皿 左右，這超出了壓電陶瓷元件lOram左右厚度的常規極化能力，結果 往往不是極化不夠充分導致壓電性能較低，就是極化過程中壓電陶瓷 元件被大電壓所擊穿而完全無法制作出來。此外，為了實現帶寬的拓 寬，厚度振動的單片型換能器往往采用多模態耦合的匹配層技術，就 是在換能器輻射面和水介質之間增加一層或多層具有一定聲特性的 阻抗匹配層。在實際制作帶有匹配層的換能器時，由于增加了粘結或 灌注匹配層的工序，整個換能器的工藝變得復雜和不容易控制。
發明內容
本發明利用復合的靈敏元件的低頻率常數和低Q特點，克服現有技術制作100 — 200KHz頻率下的常規靈敏元件的困難，同時避免采用 復雜難控的匹配技術，從而實現一種結構簡單緊湊、經濟實用的合成 孔徑用寬帶換能器。
為實現上發明目的，本發明提供的寬帶換能器，包括外殼，安裝 于外殼內的支持板，安裝在支持板中心的壓電元件，所述壓電元件由 3 — 3結構復合壓電陶瓷制成；固定在壓電元件上側的透聲層；固定 于外殼底部開口處的包裹層。
上述技術方案中，所述支持板為硬質泡沫塑料。
上述技術方案中，所述支持板與外殼底部之間形成空腔，該空腔 由空氣填充，起軟障板的作用。
上述技術方案中，所述壓電靈敏元件為圓片形或方形片，其上下 表面分別連接導電線，所述導電線從外殼底部的水密包裹層引出。
上述技術方案中，所述外殼橫截面為圓形。
上述技術方案中，所述壓電靈敏元件的上下表面均具有導電銀層。
上述技術方案中，所述外殼采用不銹鋼材料制作。 上述技術方案中，所述透聲層采用聚氨酯橡膠制成。 上述技術方案中，所述包裹層采用丁基橡膠制成。 上述技術方案中，所述壓電元件的上表面連接信號線，下表面連 接屏蔽接地線。本發明具有如下的技術效果
1、 本發明所采用的壓電靈敏元件為具有多孔結構的3_3復合壓
電陶瓷，其頻率常數不到常規壓電陶瓷的一半(約為800Hz'm)，因 此，元件尺寸可以減薄一半以上，對于相應的高頻元件在制作工藝上 就很容易實現。
2、 本發明所采用的壓電靈敏元件，由于具有徑向模式受到了復 合形式的抑制，振動模態單一；此外由于聲阻抗低使得制成換能器后 的機械品質因素Q很低，其水下機械品質因素小于6，因而可以利用 其自身的振動模式直接實現寬帶，無需增加其他工序，工藝簡單易行。
3、 由于避免了現有匹配層展寬帶寬的辦法，因而克服了匹配層 換能器陣元制作中所面臨的苛刻技術條件，結構更加簡單緊湊，經濟 上更加實用，尤其適用于多單元組成的基陣(如合成孔徑聲納的基 陣)。
4、 本發明只通過改變壓電靈敏元件材料，就實現了靈敏度不降 低的情況下拓寬帶寬，這為寬帶換能器的設計提供了更大的空間。
圖1是本發明換能器的結構示意其中l為壓電靈敏元件、2為支持板、3為屏蔽接地線、4為水 密橡膠包裹層，5為電纜頭，6為信號線、7為外殼，8為透聲層
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步地描述。 實施例1
如圖2所示， 一種工作頻率在130KHz的合成孔徑用的寬帶換能 器(3dB帶寬在35KHz)，包括壓電靈敏元件l、支持板2、屏蔽接地 線3、水密橡膠包裹層4、電纜頭5、信號線6、外殼7以及透聲層8。 外殼7為圓殼形，材質為不銹鋼，壓電靈敏元件1在硬質泡沬塑料支 持板2的中心位置，在外殼7和支持板2間形成的空腔軟障板，避免 了金屬外殼的多次反射、折射和散射對聲場結構的影響，壓電靈敏元 件1選用3 — 3結構復合壓電陶瓷圓片，尺寸為4)80X5.3mra。該靈敏 元件是在陶瓷相基體中引入空氣相，從而降低了介電常數和機械品質 因子Q，此外，在適當致密度下，壓電陶瓷的壓電性能變化不大，其 介電常數^33=800，機械品質因素Qm二lO (該機械品質因素Qm指的 是空氣中靈敏元件本身的品質因素)，壓電性能d33 = 450PC/N。壓電 靈敏元件1的上表面與電纜頭里的屏蔽接地線3焊接在一起，壓電元 件的下表面與電纜里的信號線6相連，壓電元件的上下表面采用的是 燒滲的導電銀層，以便于接地線和信號線的牢固焊接。透聲層8選用 透聲系數高的四氫呋喃一環氧丙垸二醇共聚醚型聚胺脂橡膠，后端 (圖2中為下端)的水密橡膠包裹層4采用丁基橡膠硫化而成。
在整個結構中優化了壓電靈敏元件，無需采用匹配層技術，避免 了復雜難控的換能器工藝，整個系統簡單、緊湊，但收發靈敏度不降 低，與同結構、同頻率下的常規壓電陶瓷換能器靈敏度相近(實施例1中的換能器發射靈敏度為162.5dB,接收靈敏度為一186dB)。在水 下物體目標探測成像以及海底地貌測繪時對高分辨率和高靈敏度的 要求日益提高，本發明在一定頻率范圍下，克服了原有技術匹配層工 藝影響的不足，而且具有足夠的寬帶響應，保證了脈沖壓縮技術的采 用從而提高了水下探測成像時的橫向分辨率。使用本發明時，可將多 個換能器單陣元組裝成大型基陣，制作成寬帶合成孔徑聲納。
本發明利用低Q的復合壓電陶瓷元件自身的振動模式直接實現 寬帶，無需增加其他工序，避免使用復雜難控的匹配層技術，實現 100KHz — 200KHz的寬帶換能器，結構簡單緊湊，工程上更經濟實用。
權利要求
1、 一種合成孔徑用寬帶換能器，包括外殼，安裝于外殼內的支持板，安裝在支持板中心的壓電靈敏元件，所述靈敏元件由3 —3結 構復合壓電陶瓷制成；固定在壓電靈敏元件上側的透聲層；固定于外 殼底部開口處的包裹層。
2、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述支持板采用 硬質泡沬塑料制成。
3、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述支持板與外 殼底部之間形成空腔。
4、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述靈敏元件為 圓片形或方片形，其上下表面分別連接導電線，所述導電線從外殼底 部的包裹層引出。
5、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述外殼橫截面 為圓形。
6、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述壓電靈敏元 件的上下表面均具有導電銀層。
7、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述外殼采用不 銹鋼材料制作。
8、 按權利要求1所述的換能器，其特征在于，所述透聲層和包 裹層采用橡膠制成。
9、 按權利要求4所述的換能器，其特征在于，所述壓電靈敏元 件的上表面連接信號線，下表面連接屏蔽接地線。
全文摘要
本發明涉及一種合成孔徑用寬帶換能器，包括外殼，安裝于外殼內的支持板，安裝在支持板中心的壓電元件，所述壓電靈敏元件由3-3結構復合壓電陶瓷制成；固定在壓電靈敏元件上側的透聲層；固定于外殼底部開口處的包裹層。本發明在整個結構中優化了壓電靈敏元件，無需采用匹配層技術，避免了復雜難控的換能器工藝，整個系統簡單、緊湊，但收發靈敏度不降低，與同結構、同頻率下的常規壓電陶瓷換能器靈敏度相近。本發明尤其適用于多單元組成的基陣。
文檔編號G01S15/00GK101311747SQ200710099518
公開日2008年11月26日 申請日期2007年5月23日 優先權日2007年5月23日
發明者溫建強 申請人:中國科學院聲學研究所